Alkali muameleli kupula lifi katkılı yüksek yoğunluklu polietilen kompozitlerin teknolojik özellikleri

Yıl: 2019, Cilt: 20, Sayı:1, Sayfa:73-81 Year: 2019, Vol: 20, Issue: 1, Pages:73-81

ofd.artvin.edu.tr

Alkali muameleli kupula lifi katkılı yüksek yoğunluklu polietilen kompozitlerin teknolojik özellikleri

1_{Karadeniz Teknik Üniversitesi Ağaçişleri Endüstri Mühendisliği Trabzon, Türkiye} 2_{Artvin Çoruh Üniversitesi Orman Endüstri Mühendisliği Artvin, Türkiye} 3_{Karadeniz Teknik Üniversitesi İç Mimarlık Bölümü Trabzon, Türkiye}

Eser Bilgisi/Article Info

Araştırma makalesi/Research article DOI: 10.17474/artvinofd.510566

Sorumlu yazar/Corresponding author

Sevda BORAN TORUN e-mail: sboran@ktu.edu.tr Geliş tarihi / Received 09.01.2019

Düzeltme tarihi / Received in revised form 28.03.2019

Elektronik erişim / Online available 02.04.2019

Anahtar kelimeler: Kupula lifi

Alkali muamele

Yüksek yoğunluklu polietilen Kompozit

Keywords: Cupula fiber Alkali treatment

High density polyethylene Composite

Özet

Bu çalışma ile kestane kupula lifi katkılı termoplastik kompozitlerin mekanik, fiziksel ve termal özellikleri belirlenmiştir. Kupula lifi belirli oranlarda (%30, %40 ve %50) ilave edilerek polietilen kompozitleri üretilmiştir. Uyumsuzluk giderici ajan olarak maleik anhidritle graft edilmiş polietilen %3 oranında katılmıştır. Kompozitlerin teknolojik özelliklerini geliştirmek amacıyla ayrıca kupula lifleri %5 sodyum hidroksit (NaOH) ile 24 saat boyunca muamele edilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, alkali muameleli kupula lifi katkılı kompozitlerde muamele edilmemiş kompozitlere göre daha iyi mekanik özellikler elde edilmiştir. Alkali ile muamele edilmiş kupula lif kompozitlerin su alma ve kalınlık artışı değerleri alkali muamelesiz kompozitlere göre kıyaslandığında özellikle %50 alkali muameleli kupula lifi katkılı kompozit örneklerinde artmıştır.

Abstract

In this study, thermoplastic composites reinforced with cupula fiber were determined their mechanical, physical and thermal properties. The polyethylene composites made with various percentages (30, 40, and 50 wt.%) of cupula fibers were produced. The polyethylene graft maleic anyhydride as a couple agent with loading (3%) of composite was used. However, alkali treatment was applied to the cupula fibers as 5% by weight sodium hydroxide (NaOH) during 24 hours in order to improve technological properties of the composites. Based on the finding results, the composites with alkali treatment of the cupula fibers was provided better mechanical properties compared to untreated fiber reinforced composites. The values of the water absorption and thickness swelling of the composites reinforced with alkali treated the cupula fibers, especially in the composite with alkali treated at 50% cupula fiber, were increased compared to untreated fiber reinforced composites.

GİRİŞ

Dünyanın ortak sorunu haline gelen çevresel sorunlar ve bunların çözümü için yasal yaptırımlar sürekli arttığından çevreye zararlı atık miktarlarını azaltmaya yönelik çalışmalara ağırlık verilmiştir. Günümüzde dünyadaki kaynakların yeniden kullanılabilir duruma getirilmesi ekonomik olarak düşünülmesi gerekli zorunluluklardan biri olmaya başlamıştır. Çevresel kirliliğin artması ve fosil kaynaklarının azalması nedeniyle doğal liflerden ve atıklardan odun plastik kompozitlerin üretimi son yıllarda dikkat çekmektedir (Eckert 2000; Adhikary et al. 2008; Ashori et al. 2009).

Cam ve karbon lifleri gibi petrol bazlı üretilen termoplastikler inşaat, yapı, otomotiv gibi birçok

endüstriye uygun malzemelerin yapılmasında

kullanılmakta ancak bu malzemelerin geri dönüşümü çok

zor olup üretimleri sırasında çevresel zararları mevcuttur (Eckert 2000; Donmez Cavdar ve Boran 2016). Doğal liflerin cam, karbon lifleri gibi alternatiflerine oranla birçok avantaj ve dezavantajı bulunmaktadır. Ekolojik karakterleri, biyobozunur olmaları, düşük maliyetleri, aşındırıcı olmayan yapıları, kolay liflendirilebilir olmaları, yüksek dolgu oranları, düşük yoğunlukları, çok geniş ve farklı tipteki lif çeşitliliğine sahip olmaları gibi özellikleri doğal liflerin, neden birçok endüstrinin ilgisini çektiğini açıklamaktadır. Bununla birlikte üretim sırasında kümelenmeye meyletmesi, düşük termal stabilitesi, neme karşı olan dirençsizliği doğal liflerin polimerde kullanıldığında ortaya çıkan sakıncaları olarak bilinmektedir. Ama bu problemlerin farklı dolgu ve katkı maddeleri kullanılarak en aza indirilmesi mümkündür (Joshi et al. 2004; Santos et al. 2008; Njuguna et al. 2011; Boran et al. 2016). Son yıllarda kenaf, keten, pamuk, sisal, muz, şeker kamışı, hindistan cevizi, kenevir, hint keneviri

gibi doğal liflerin ilave edildiği termoset ve termoplastik kompozitleri yapı, otomotiv ve paketleme endüstrilerinde kullanımı yaygınlaşmıştır ve teknolojik özelliklerinin sentetik liflere oranla daha iyi olduğu belirlenmiştir (Mohanty et al. 2000a; Puglia et al. 2005; Santos et al. 2008; Donmez Cavdar ve Boran 2016). Selüloz lifleri esnek yapıda olmaları ve biyolojik olarak parçalanarak geri dönüşebilmesi nedeniyle elde edilen nihai ürün daha dirençli yapıda olup yüksek sağlamlık ve sertlik özelliğine sahip olmaktadır (Santos et al. 2008; Spoljaric et al. 2009; Donmez Cavdar ve Boran 2016).

Kupula selüloz bileşeni içerdiğinden doğal lifli selülozik malzeme grubunda yer almaktadır. Küresel yapıda olup, meyvelenme döneminde açık sarımsı-kahverengi renk değişimi gösteren, pubessent dikenler ile kaplı olan kupulanın formu değişiklik göstermektedir. Meyveyi kısmen veya tamamen örten brahte, brahtecik veya çiçek tablasından gelişmiş muhafaza olup kayıngiller familyasının bazı cinslerinde meyvenin büyümesi ve olgunlaşması sırasında meyveyi dış etkenlerden korumakla görevlidir (Kendir et al. 2016). Diğer birçok meyve kabuğu ve tarımsal atıklar gibi kestane kupulası da yakılarak değerlendirilmekte ya da doğada bozunmaya bırakılmaktadır.

Doğal liflerin hidrofilik yapısı ve polimer matrisinin hidrofob yapısından kaynaklı uyumsuzluklarını kimyasal işlemlerden oluşan lif yüzey modifikasyonu ile çözümlemek mümkündür (Manalo et al. 2015). Ayrıca liflerin yüzey modifikasyonu için spesifik fiziksel ve kimyasal işlemler önerilmekte olup bunlardan birisi olan alkali muamelesi en yaygın olarak kullanılan en etkili ve basit yüzey modifikasyon yöntemlerindendir (Cao et al. 2006; Rokbi et al. 2011). Alkali muamelesinin yüzeydeki artıkları liften ayırdığı, lignin ve pektinin çoğunun pürüzlü yüzeyden uzaklaştığı görülmüştür. Bu pürüzlü yüzey hidroksil gruplarının polimer matrisine maruz

kalmasından dolayı bağlanma reaksiyonunu

kolaylaştırmaktadır (Bledzki 1999). Lif ve polimer matrisi arasındaki ara yüzey etkileşimi mümkün olmakta, polimer matrisi ile teması mümkün olan etkili yüzey alanını ve polimer matrisi ile ilave edilecek liflerin arasındaki yük transfer olasılığını arttırmaktadır (Benyahia et al. 2013).

Bu çalışmada çevreci bir ürün üretmek, çevreyi iyileştirmeye ve geliştirmeye yönelik çözüm odaklı olarak atıkların katma değeri yüksek malzemeye dönüştürülmesi esas alınmıştır. Birçok kullanım alanına sahip termoplastik kompozitlerde kupula lifi kullanılarak bu selüloz esaslı malzemelerin hangi oranda etkili olduğu üretilmiş kompozitlerin termal ve mekanik özellikleri incelenerek ortaya konmuştur. Böylece daha önce bu alanda henüz değerlendirilmemiş olan kupula lifi kullanımının kompozitlerin teknolojik uygulamalardaki kullanımına katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Bu çalışma ile kupula

atık hammaddesinin kompozit üretiminde

değerlendirilmesi sağlanarak üretilen kompozitlerin mekanik, fiziksel, morfolojik özellikleri ve termal degradasyonu belirlenmiştir.

MATERYAL ve YÖNTEM Materyal

Kompozitlerin üretiminde polimer olarak kullanılan

yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) (Tm=134o_C,

yoğunluk= 0.96 g/cm3_{, MFI=0.36 g/10 dk) Petkim}

Petrokimya A.Ş.firmasından temin edilmiş olup polietilen graft maleik anhidrid (1.48 g/cm3_{) ve sodyum hidroksit} Merck firmasından tedarik edilmiştir. Kestane (Castanea sativa Mill.) kupulaları ise Doğu Karadeniz Bölgesi, Trabzon’daki bir bölgeden toplanmıştır.

Yöntem

Kestane kupulaları toz, kir vs birikintilerden arındırılarak elle temizlenmiştir. Ardından Willey değirmeninde öğütülerek kupula lifleri homojen partikül boyutlara getirilmiştir. Ortalama lif çapı 0.2 ile 0.3 mm arasında olacak şekilde hazırlanarak ağzı kapalı poşetlerde bekletilmiştir. Üretimden önce laboratuar tipi kurutma fırınında 103°C’de 24 saatlik kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Alkali muamelesinin etkisi inceleneceğinden öğütülmüş kupula lifleri %5 NaOH ile 24 saat boyunca muamele edilmiştir. Böylece istenmeyen çözünebilir selüloz, hemiselüloz, pektin ve lignin gibi bileşenler uzaklaştırılmıştır. Alkali muamelesinden sonra lifler destile su ile yıkanarak fazla NaOH uzaklaştırılmış ve 24 saat boyunca 60°C’de kurutulmuştur. Plastik hammadde, kupula lifi, polietilen graft maleik anhidrit 10 dakika süre ile karıştırılarak karışımın homojen olması sağlanmıştır.

Elde edilen homojen karışımlar ile tek vidalı ekstruder içerisindeki vidanın dönme hızı 80 rpm olacak şekilde üretimler gerçekleştirilmiştir. Ekstruder sıcaklığı üretim boyunca besleme bölgesinden bitiş bölgesine kadar 170°C, 180°C, 185°C, 190°C olarak ayarlanmıştır. Tüm kompozit üretimlerinde uyumsuzluk giderici olarak PE-g-MA termoplastik malzemeye %3 oranında ilave edilmiştir.

Ekstruderden çıkan örnekler soğuk su içerisinde soğutulduktan sonra kırıcı makinesinde küçük parçacıklar haline getirilmiştir. Üretilen granüller presleme kalıbına basılmadan önce 12 saat süre boyunca 80°C’de kurutulmuştur. Kompozit üretim proses parametreleri Çizelge 1’de görülmektedir

Çizelge 1. Kompozit üretim prosesi

Çalışmada kullanılan malzemeler Materyal YYPE (%) PE-g-MA _(%) Kupula lifi _(%)

YYPE Kontrol 97 3 -

YYPE/Kupula lifi K1 67 3 30

YYPE/Kupula lifi K2 57 3 40

YYPE/Kupula lifi K3 47 3 50

YYPE/Alkali muameleli kupula lifi KN1 67 3 30

YYPE/Alkali muameleli kupula lifi KN2 57 3 40

YYPE/Alkali muameleli kupula lifi KN3 47 3 50

Kompozitlerin testleri

Mekanik testler

Eğilme özellikleri (eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü) Zwick/Roell Z010 Universal test makinesinde ASTM D 790 standardına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. İklimlendirilen test örnekleri 5x13x120 mm olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Deney esnasında levha örneklerinin yerleştirildiği dayanaklar arasındaki açıklık 80 mm olup test hızı 2 mm/dak. olarak ayarlanmıştır.

Çekme testi (çekme direnci, çekmede elastikiyet modülü ve kopmada uzama miktarı) ASTM D 638 standardına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. İklimlendirilen test örnekleri 5x13x165 mm olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Test hızı 5 mm/dak olarak ayarlanmıştır.

Fiziksel özellikler

Su alma oranı ASTM D 570 standardına uygun olarak belirlenmiştir. 50x50x levha kalınlığı(mm) boyutlarında hazırlanmış örneklerin ağırlığı±0.01 g duyarlıklı analitik terazide tartılmıştır. Daha sonra örnekler, su yüzeyinden 25 mm aşağıda tutulmak suretiyle ile 20±2°C’lik suda deney süresince bekletilmişlerdir. Kalınlık artış oranları EN 317’de belirtilen esaslara uygun olarak 50x50mm boyutlarında örnekler üzerinde belirlenmiştir. Örnek, kalınlıkları tam orta noktasında 0.01mm duyarlıklı mikrometreyle ölçülerek, su yüzeyinden 25 mm aşağıda tutulmak suretiyle, 19-21°C sıcaklıktaki temiz suda deney

süresince bekletilmişlerdir. Ölçümler, 2, 24, 48, 72 ve 96 saat sürelerde periyodik olarak yapılmıştır. Bu süreler sonunda sudan çıkarılan örneklerin üzerindeki fazla su bir bezle silinmiş ve ağırlıkları aynı hassasiyetle ± 0,01 gr duyarlıklı terazide tartılmıştır.

Isıl özellikler

Termogravimetrik analiz (TGA)

Örnekler willey değirmeni yardımıyla 1mm boyutuna kadar öğütülmüştür. Termogravimetrik analizler için Perkin Elmer TGA-6000 cihazı kullanılmıştır. Azot gazı akış hızı 20 mL/min, sıcaklık artışı 10°C/dakikalık basamaklar

ile oda sıcaklığından 600o_{C’ye olacak şekilde}

ayarlanmıştır.

Diferansiyel taramalı kalorimetri analizi (DSC)

DSC analizi Perkin Elmer DSC-8000 cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Örnekler önce 35°C’den 250°C’ye ısıtılmış ardından 35°C’ye soğutulmuş ve tekrar 250°C’ye kadar ısıtılmıştır. Hesaplamalarda ikinci ısıtma piki ve soğuma pikine ait veriler kullanılmıştır. Azot gazının akış hızı ise 20 mL/dak olarak ayarlanarak deney yapılmıştır. Ayrıca kompozit malzemelerin kristalleşme derecelerinin (Xc) belirlenmesi için aşağıdaki eşitlik kullanılmıştır

(Wunderlich 1990):

ΔHe ve ΔH0 sırasıyla kompozit malzeme ve %100 kristalen

polietilenin ısı füzyon değerlerini W ise dolgu oranını

belirtmektedir. Bu çalışmada ΔH0 293(J/g) olarak

alınmıştır (Wunderlich 1990).

Taramalı elektron mikroskop (SEM) analizi

Üretilen kompozitlerin taramalı elektron mikroskobu analizleri ZEISS marka EVO LS 10 model makine üzerinde gerçekleştirilmiştir. Örneklerin hazırlanması aşamasında temiz bir kırık yüzey elde edilmiş ve ardından örneklerin yüzeyinde meydana gelebilecek yansımaları engellemek için yüzeyler altın tozuyla 10 MA’de 120 sn boyunca kaplama işlemine tabi tutulmuştur. Bu kaplanmış örneklerden SEM görüntüleri elde edilmiştir.

İstatistik yöntemler

Test sonuçları One-Way Anova testi kullanılarak değişkenlerin etkilerinin anlamlı olup, olmadıkları belirlenmiştir. Etkilenmenin anlamlı çıkması halinde ortalama değerler Duncan testi ile karşılaştırılmıştır. Bu istatiksel analizler SPSS 21.0 paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

BULGULAR VE TARTIŞMA Mekanik Özellikler

Kompozitlerin mekanik özelliklerine ait veriler Çizelge 2’de verilmiştir. Alkali muameleli kompozitlerin alkali muamelesiz olan kompozitlere göre daha yüksek eğilme direnci verdiği görülmektedir. Alkali muamelesiz kompozitlerde kupula lifi oranı arttıkça eğilme direnci azalmakta olup, alkali muamele edilmiş kupula lif katkılı kompozitlerin %40 oranında en yüksek değeri verdiği ve bu orandan sonra ise eğilme direncinin azaldığı belirlenmiştir. Eğilmede elastikiyet modülü olarak en yüksek değer %50 alkali kupula lifi katkılı kompozit türünden elde edilmiştir. Bunun nedeni lifin polimer matrisi ile bağlanması ve dolayısıyla matris etkileşimini iyileştirilmesi olabilir (Rokbi et al. 2011). Alkali işleminin önemi lif yüzeyindeki hidrojen bağlarının bozulmasına dayanmakta olup bu işlem sonrası yüzey pürüzlülüğü artmaktadır (Yan et al. 2012). Alkali muamelesi lignin ve hemiselülozun uzaklaşmasıyla lif polimer matrisini iyileştirmekte ve bu da lifin polimer matrisi ile daha iyi etkileşim içerisinde olmasını sağlamaktadır (NorAzowa et al. 2010; Benyahia et al. 2013).

Alkali muamele edilmiş yapıların üstün gerilme mukavemeti, alkali muamelesinin doğal ve yapay safsızlıkları gidererek, yüzeyin adhezyon özelliklerini geliştirdiği gerçeğine atfedilebilir (Bisanda ve Ansell 1991). Ayrıca, alkali muamelesi polimer matrisi ile temas için mevcut olan etkili yüzey alanını arttıran lif fibrilasyonuna yol açar (Habibi et al. 2008; Mohanty et al. 2000b). Alkali muamele partiküllerin kümelenmesini azaltarak liflerin hidrofilik özelliğini azaltmaktadır (Daud et al. 2017). Böylece liflerin yüzey pürüzlülüğü artmakta ve kompozitlerin hazırlanması esnasında polimerle lifin etkin bir şekilde temas etmesini sağlamaktadır (Lazim et al. 2014). Birçok araştırmada alkali muamelesinin kenevir, bambu, kenaf gibi doğal liflerin arayüzey bağlanmalarında ve mekanik özelliklerinde olumlu etki yaptığı ortaya konmuştur (Mwaikambo and Ansell 2002; El-Shekeil et al. 2012, Yan et al. 2012; Lazim et al. 2014, Cavdar et al. 2015).

Alkali muamelesiz kupula lifi oranı arttıkça alkali muameleli kupula lifine benzer şekilde çekme direnci değerleri azalmaktadır. Çekmede elastikiyet modülünün ise lif oranı arttıkça arttığı belirlenmiştir. Kopmada uzama miktarının alkali muameleli ve muamelesiz kompozitlerde kupula lifi oranı arttıkça azaldığı görülmektedir. En yüksek kopmada uzama miktarı KN1 (alkali muameleli %30 kupula lifi ilaveli) kompozit örneğinden elde edilmiş olup en düşük değer %50 kupula lifi ilaveli alkali muamelesiz kompozit örneğinde tespit edilmiştir.

Fiziksel Özellikler

Şekil 1’de alkali muameleli ve alkali muamelesiz kompozitlerin su alma oranları görülmektedir. Alkali muamelesinin su alma oranı üzerine olumsuz etki yaptığı görülmektedir. Kupula lif oranı arttıkça su alma oranları alkali muamelesiz ve alkali muameleli gruplar için artmaktadır. En düşük su alma oranı %30 ilaveli alkali muamalesiz kompozitten elde edilmiş olup, en yüksek oranın ise %50 ilaveli alkali muameleli kompozite ait olduğu belirlenmiştir. Buna alkali muamelesi ile birlikte lignin ve benzeri fenolik bileşiklerin ortamdan uzaklaşması neden olmuş olabilir. Bilindiği gibi lignin ve fenolik bileşenler odun ve benzeri lignoselülozik materyalin en hidrofobik bileşenidir, ligninin ortamdan

uzaklaşması ile sağlamlık özellikleri gelişirken su iticilik azalış göstermektedir (Ou et al. 2014).

Kalınlık artış oranları incelendiğinde su alma oranına benzer sonuçlar elde edilmiş olup kupula lif kullanım oranı arttıkça kalınlık artış oranının arttığı görülmektedir. Alkali

muamelesi de çok az oranda kalınlık artışını olumsuz yönde etkilemektedir. En yüksek kalınlık artış oranı %50 kupula lif oranı ilaveli alkali muameleli kompozit örneğine ait olup %4.91’dir. Suda bekletme süresine bağlı olarak kompozitlerin su aldığı gözlenmiştir.

Çizelge 2. Kompozitlerin mekanik özellikleri

Örnek Kodu Eğilme direnci _(MPa) Eğilmede elastikiyet _{modülü (MPa)} Çekme direnci _(MPa) Çekmede elastikiyet _{modülü (MPa)} Kopmada uzama _{miktarı (%)}

YYPE (Kontrol) 23.54±0.52 ab 1152±51.16 c 23.60±0.52 a 788±46.95 e 445.14±14.83a

K1 23.06±0.88 ab 1364±205.62bc 12.47±1.00 c 835±13.23 d 3.71±0.70 b K2 21.96±2.01 b 1524±369.63 ab 10.61±1.24 d 910.60±36.58 bc 2.57±1.02 b K3 18.74±1.62 d 1672±164.53 a 10.17±0.95 d 949.40±28.27 b 2.06±0.26 b KN1 23.26±0.91 ab 1490±104.88 ab 13.83±0.46 b 863.60±30.20 cd 4.67±0.67 b KN2 24.06±1.96 a 1690±139.82a 10.73±1.28 d 934.60±81.11 b 2.74±0.80 b KN3 20.43±0.81 c 1728±61.40a 8.26±0.35e 1099±66.37 a 2.16±0.32 b

Harfler homojenlik gruplarını belirtmektedir.

Şekil 1. Kompozitlerin su alma oranı

Şekil 2. Kompozitlerin kalınlık artış oranı

Termogravimetrik Analiz (TGA)

Şekil 3’te alkali muameleli ve muamelesiz kupula lifleri ile hazırlanan kompozitlerin TGA ve DTGA grafikleri görülmektedir. Grafiklerden görüldüğü gibi kompozit levhalar iki basamakta bozunmaktadır. İlk basamak dolgu maddesi olarak kullanılan kupula liflerinin, ikinci basamak ise yüksek yoğunluklu polietilenin bozunmasını göstermektedir. Alkali işlem görmeyen lifler ile üretilen kompozit levhaların ilk basamaktaki dönüm noktaları K1, K2 ve K3 kodlu örnekler için sırasıyla 301.82°C, 340.58°C ve 369.94°C olarak ölçülmüştür. Alkali işlem görmeyen kupula liflerinin çok fazla safsızlık içermesinden dolayı diğer bir ifade ile suda ve alkalide çözünebilen bileşenler içermesinden dolayı DTGA grafiklerinde yüksekliği daha düşük ve tabana yayılmış pikler oluşmuştur. Alkali işlem sonrası liflerin bozunma basamağında dönüm noktası KN1, KN2 ve KN3 kodlu kompozitler için sırasıyla 321.97°C, 350.80°C ve 338.24°C olarak ölçülmüştür. DTGA grafiği incelendiğinde alkali işlem ile liflerin alkalide çözünebilen bileşenlerden arındırılması sonucu bozunma pikleri belirginleşmiştir. Bu sonuçlara göre lifin bozunma sıcaklığı az da olsa azalış göstermiştir. Bunun nedeni büyük olasılıkla daha yüksek sıcaklıklarda bozunan lignin gibi bazı fenolik bileşenlerin ortamdan uzaklaşmış olmasıdır (Yang et al. 2007). Benzer sonuçlar Setswalo et al. (2017) Pterocarpus angolensis odun tozlarına uyguladıkları alkali işlem ile de elde edilmiştir. Sadece YYPE ile hazırlanan levhalarda dönüm noktası 488.03 °C olarak ölçülmüştür. K1, K2 ve K3 kodlu lif-plastik

kompozitlerin ikinci bozunma basamağında dönüm noktaları sırasıyla 493.02°C, 482.04°C ve 444.40°C olarak ölçülmüştür. Alkali işlem görmüş lifler ile hazırlanan KN1, KN2 ve KN3 kodlu lif-kompozitlerin ikinci bozunma basamağı için dönüm noktaları ise sırasıyla 497.73°C, 487. 94°C ve 485.79°C olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlara göre alkali işlem ile plastiğin bozunma sıcaklığının arttığı bununla birlikte lifin bozunma sıcaklığının az da olsa azalış

gösterdiği belirlenmiştir. 550°C’deki kalıntı miktarlarını karşılaştırdığımızda, alkali işlem görmeyen kupula lifi içeren K1, K2 ve K3 kodlu kompozitlerin kalıntı miktarları sırasıyla %5.27, %7.15 ve %11.60 olarak ölçülmüştür. Alkali işleme uğratılmış lifler ile hazırlanan KN1, KN2 ve KN3 kodlu kompozitler için sırasıyla %7.72, %8.60 ve %11.70 olarak belirlenmiştir.

Şekil 3. Lif-plastik kompozitlerin TGA ve DTGA grafikleri

Diferansiyel Taramalı Kalorimetri Analizi (DSC)

Çizelge 3’te kupula-YYPE kompozitlerinin DSC sonuçları yer almaktadır. Üretilen tüm kompozit gruplarının erime sıcaklıkları 131.93 ile 133.12 °C arasında olduğu tespit edilmiş olup saf polimerin (kontrol) erime sıcaklığına benzer olduğu gözlenmiştir. Çizelge incelendiğinde %40 oranına kadar alkali işlem görmeyen lif katılan kompozitlerde kristalenlik artmış, fakat %50 oranında kupula lifi eklenmesiyle kristallik oranı azalmıştır. Alkali

işlem gören liflerin kullanıldığı kompozitlerde ise artan dolgu maddesi miktarı ile birlikte kristalenlik de artış göstermiştir.

Morfolojik Özellikler

Kontrol, alkali muamelesiz %40 kupula lifi katkılı ve alkali muameleli %40 kupula lifi katkılı kompozitlere ait SEM görüntüleri Şekil 4’te görülmektedir. Alkali muameleli kompozit örneğinde daha kaba yüzeyler ve boşluklar görülmektedir. 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 600 Ağ ırl ık k ay bı (% ) Sıcaklık (C°) YYPE (Kontrol) K1 K2 K3 KN1 KN2 KN3 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 200 300 400 500 600 Ağ ırl ık kaybı nı n tür evi Sıcaklık (C°) YYPE (Kontrol) K1 K2 K3 KN1 KN2 KN3 -6 -4 -2 0 200 250 300 350 400 Ağ ırl ık k ay bı nı n tür ev i Sıcaklık (C°) YYPE (Kontrol) K1 K2 K3 KN1 KN2 KN3 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 400 450 500 550 Ağ ırl ık k ay bı nı n tür ev i Sıcaklık (C°) YYPE (Kontrol) K1 K2 K3 KN1 KN2 KN3

Çizelge 3. Örneklerin DSC sonuçları Kompozit

türü Soğuma sıcaklığı, °C Pik yüksekliği soğuma, mW ΔH soğuma, J/g Erime sıcaklığı, °C Pik yüksekliği erime, mW ΔH erime, J/g X corr, % kristalenlik

YYPE (Kontrol) 116.07 -26.02 -175.77 132.92 15.44 175.07 59.75 K1 116.46 -25.59 -127.17 132.99 14.84 132.53 64.62 K2 116.39 -24.65 -129.54 133.09 14.05 123.17 70.06 K3 116.95 -15.56 -72.94 131.93 8.411 77.38 52.82 KN1 116.77 -25.54 -117.14 133.12 16.09 123.53 60.23 KN2 116.91 -22.09 -121.17 133.03 11.85 125.83 71.58 KN3 116.47 -25.55 -103.76 132.65 14.26 107.00 73.04

Şekil 4. Kontrol, alkali muamelesiz %40 kupula lifi katkılı ve alkali muameleli %40 kupula lifi katkılı kompozitlere ait SEM görüntüleri Yapılan bir çalışmada (Barczewski et al. 2017) kestane

kabuğu unu esaslı polilaktik asit biokompozitlerindeki SEM görüntülerinde organik dolgu maddesinin polimer matrisi içeresindeki dağılımının yeterli düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Ancak polimer matrisinde kestane kabuğu oranı arttıkça boşlukların arttığı gözlenmiştir. Goud ve Rao (2011) alkali muamelesinin lif yüzeyi üzerindeki etkisini araştırmışlar, alkali muameleli liflerde daha fazla boşluk olduğunu tespit etmişlerdir. Fibrilasyon sonucu lif çapının küçülmesinden dolayı liflerin en boy oranı artmakta ve daha iyi lif-matris ortak yüzey veren

kaba yüzey görüntüsü vermektedir. Alkali muamelesi sonucu elde edilen kompozitlerin alkali muamelesiz olanlara kıyasla SEM görüntüleri sonuçlarında daha kaba yüzeyler elde edildiği belirlenmiştir. Alkali muamelesi lif yüzeyinde daha kaba yüzeyler ve daha derin boşluklar oluşturmaktadır (Song et al. 2017). Alkalizasyon işlemi fibrilasyona neden olmakta böylece polimer matrisi tarafından ıslanmaya elverişli yüzey alanını artırır (Yan et al. 2000).

SONUÇLAR

Kupula plastik matrisli kompozitlerde dolgu malzemesi

olarak kullanılabileceği öngörüsünden çıkılarak

gerçekleştirilen bu çalışma ile kupula lifi katkısı ile üretilecek olan termoplastiklerin bazı teknolojik özellikleri belirlenmiştir. Liflerin alkali ile muamelesi ise kompozit örneklerinin mekanik özellikleri üzerinde iyileştirici bir etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Su alma ve kalınlık artış oranları lif oranı arttıkça artış göstermiş olup alkali muameleli örnekler de muamelesiz örneklere göre daha yüksek orana sahip oldukları belirlenmiştir. DSC analiz sonuçlarına göre kristalen özelliklerde polimer matris içerisindeki lif oranına paralel olarak artış olduğu ancak alkali muamelesiz örneklerde bu artışın %40 dan sonra gerileme gösterdiği gözlenmiştir. TGA analizi sonuçlarına göre alkali işlem ile polimerin bozunma sıcaklığının arttığı bununla birlikte lifin bozunma sıcaklığının az da olsa azalış gösterdiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında; kestane kupula liflerinin %40 oranına kadar polimer matrisinde sorunsuz olarak kullanılabileceği ve yeni bir hammadde potansiyeli taşıdığı söylenebilir.

KAYNAKLAR

Adhikary KB, Pang S., Staiger MP (2008) Dimensional stability and mechanical behaviour of wood-plastic composites based on recycled and virgin high-density polyethylene (HDPE). Compos Part B-Eng 39 (5): 807-815

Ashori A, Nourbakhsh A (2009) Characteristics of wooden fiber plastic composites made of recycled materials. Waste Manage 29(4):1291-1295

Barczewski M, Matykiewicz D, Krygier A, Andrzejeweski J, Skórczewska K (2017) Characterization of poly(lactic acid) biocomposites filled with chestnut shell waste. J Mater Cycles Waste 20(2):914-924 Benyahia A, Merrouche A, Rokbi M, Kouadri Z (2013) Study of effect of

Alkali Treatment of natural fibers on the mechanical behavior of the composite unsaturated polyester-fiber alfa. 21ème Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013

Bisandaand ETN, Ansell MP (1991) The effect of silane treatment on the mechanical andphysical properties of sisal epoxycomposites. Comp Sci Technol 41:2, 165–178

Bledzki AK, Gassan J (1999) Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polym Sci 24: 221-274, 1999

Boran S, Kızıltaş A, Kızıltaş EE, Gardner DJ (2016) The comparative study of different mixing methods for microcrystalline cellulose/polyethylene composites. Int Polym Process 31: 92-103 Cao Y, Shibata S, Fukumoto I (2006) Mechanical properties of

biodegradable composites reinforced with bagasse fibre before

and after alkali treatments. Compos Part A Appl Sci Manuf 37: 423-429

Daud S, Ismail H, Bakar A (2017) A study on the curing characteristics, tensile, fatigue, and morphological properties of alkali-treated palm kernel Shell-filled natural rubber composites. BioResources 12:1, 1273-1287

Dönmez Çavdar A, Mengeloğlu F, Karakuş K (2015) Effect of boric acid and borax on mechanical, fire and thermal properties of wood flour filled high density polyethylene composites. Measurement 60: 6-12

Donmez Cavdar, Boran Sevda (2016) Doğal liflerin otomotiv sanayinde kullanımı. Kastamonu Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi 16(1):253-263.

Eckert C (2000) Opportunities for natural fibers in plastic composites. In: Proceedings of the Progress in Wood Fibre Plastic Composites, Toronto, ON

El-Shekeil YA, Sapuan SM, Khalina A, Zainudin ES, Al-Shuja’a OM (2012) Effect of alkali treatment on mechanical and thermal properties of kenaf fiber-reinforced thermoplastic polyurethane composite. J Therm Anal Calorim 109 (3):1435-1443

Habibi Y, El-Zawawy WK, Ibrahim MM, Dufresne A (2008) Processing and characterization of reinforced polyethylene composites made with lignocellulosic fibers from Egyptianagro-industrial residues, Compos Sci Technol 68 (7-8): 1877-1885

Goud G, Ra, RN (2011) Effect of fibre content and alkali treatment on mechanical properties of Roystonea regia-reinforced epoxy partially biodegradable composites. Bull. Mater. Sci., 34 (7), 1575-1581

Joseph S.,Sreekala JMS, Oommen Z, Koshyc P, Thomas S (2002) A comparison of the mechanical properties of phenol formaldehyde composites reinforced with banana fibresand glass fibres. Compos Sci Technol 62, 1857-1868

Joshi SV, Drzal LT, Mohanty AK, Arora S (2004) Arenatural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites? Compos Part A Appl Sci Manuf 35(3): 371-376 Kendir G, Öztürk A, Köroğlu A (2016) Castanea Sativa Mill. (Kestane),

meyve ve yaprak anatomisi. Ankara Eczane Fakülte Dergisi, Ankara, 40 (2):1-18

Lazim Y, Salit SM, Zainudin ES, Mustapha ES, Jawaid M (2014) Effect of alkali treatment on the physical, mechanical, and morphological properties of waste betel nut &Areca catechu) husk fibre. BioResources 9(4):7721-7736

Manalo, AC, Wani E, Zukarnain NA, Karuneasena W, Lau K (2015) Effects of alkali treatment and elevated temperature on the mechanical properties of bamboo fibre-polyester composites. Compos Part B:Eng 80:73-83

Merlini C, Soldi V, Barra GMO (2011) Influence of fiber surface treatment and length on physico-chemical properties of short random banana fiber-reinforced castor oil polyurethane composites. Polym Test 30: 833-840

Mohanty A K, Khan MA, Hinrichsen G (2000a) Surface modification of jüte and its influence on performance of biodegradable jute-fabric/Biopolcomposites. Compos Sci Technol 60(7):1115-1124

Mohanty AK, Misra M, Hinrichsen G (2000b) Biofibers, biodegradable polymers and biocomposites: an overview. Macromol Mater Eng 276/277(1):1-24

Mothé CG, Araújo CR, Wang SH (2009) Thermaland mechanicals characteristics of polyurethane/curaua fiber composites. J Therm Anal Calorim 95:181-185

Mwaikambo LY, Ansell M (2002) Chemical modification of hemp, sisal, jute and kapok fibers by alkalization. J App Polym Sci 84:2222-2234

Njuguna J, Wambua P, Pielichowski K, Kayvantash K (2011) Natural fibre-reinforced polymer composites and nanocomposites for automotive applications,. In: CelluloseFibers: Bio- and Nano-Polymer Composites. Springer, New York, NY, USA, pp 661-700 NorAzowa I, Kamarul Arifin H, Khalina A (2010) Effect of fiber

treatment on mechanical properties of kenaf fiber-Ecoflex composites. J Reinf Plast Comp 29: 2192-2197

Ou R, Xie Y, Wolcott MP, Yuan F, Wang Q (2014) Morphology, mechanical properties, and dimensional stability of wood particle/high density polyethylene composites: Effects of removal wood cell Wall composition. Mater Design 58.339-345

Puglia D, Biagiotti J Kenn J M (2005) A review on natural fibre-based composites- part II: Application of natural reinforcements in composite materials for automotive industry. J Nat Fibers 1:23-65

Rokbi M, Osmani H, Imad A, Benseddiq N (2011) Effect of chemical treatment on flexure properties ofnatural fiber-reinforced polyester composite. Procedia Eng 10:2092-2097

Santos PA, Giriolli JC, Amarasekera J, Moraes G (2008) Natural Fibers PlasticComposites in Automotive Applications, SPE Automotive Composites Conference &Exhibition Troy, MI, USA, 1-9

Song W, Wei W, Ren C, Zhang S (2017) Effect of heat treatment or alkali treatment of veneers on the mechanical properties of eucalyptus veneer/polyethylene film plywood composites. Bioresources 12 (4):8683-8703

Spoljaric S, Genovese A, Shanks RA (2009) Polypropylene-microcrystalline cellulose composites with enhanced compatibility and properties. Compos Part A Appl Sci Manuf 40:791-799 Setswalo K, Namoshe M, Kutua S, Oladijo OP., Samson B (2017) Effect

of thermal and alkali treatment on Pterocarpus angolensis (Mukwa) wood flour. Procedia Manufact 7:205-210

Wunderlich B (1990) Thermal analysis, Academic Press, pp 417-413 Yan L, Yiu-Wing M, Lin Y (2000) Sisal fiber and its composites: A review

of recent developments. Compos Sci Technol 60:2037-2055 Yan L, Chouw N, Yuan X (2012) Improving the mechanical properties of

natural fibre fabric reinforced epoxy composites by alkali treatment. J Reinf Plast Comp 31:425-437

Yang H, Yan R, Chen H, Lee DH, Zheng C (2007) Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel 86(12):1781-1788